А злиття?

Сенсаційними звучали повідомлення кінця минулого року про будівництво реактора для синтезу китайськими фахівцями (1). Державні ЗМІ Китаю повідомили, що установка HL-2M, розташована в дослідному центрі Ченду, запрацює в штатному режимі в 2020 році. Тон повідомлень ЗМІ свідчив, що питання доступу до невичерпної енергії термоядерного синтезу вирішено назавжди.

Пильний погляд на деталі допомагає охолодити оптимізм.

Новий апарат типу токамак, з більш досконалою конструкцією, ніж відомі до цих пір, повинен генерувати плазму з температурою понад 200 мільйонів градусів за Цельсієм. Про це у прес-релізі повідомив голова Південно-Західного інституту фізики Китайської національної ядерної корпорації Дуань Сюру. Пристрій надасть технічну підтримку китайцям, які працюють над проектом Міжнародний термоядерний експериментальний реактор (ІТЕР)а також будівництво.

Тож я думаю, що це ще не енергетична революція, хоч вона й створена китайцями. реактор ХЛ-2М поки що мало що відомо. Ми не знаємо, якою є прогнозована теплова потужність цього реактора або які рівні енергії необхідні для запуску в ньому реакції ядерного синтезу. Ми не знаємо найголовнішого – чи є китайський термоядерний реактор конструкцією з позитивним енергетичним балансом, чи це просто черговий експериментальний термоядерний реактор, що дозволяє здійснити реакцію синтезу, але при цьому вимагає більших енерговитрат на «займання», ніж енергія, яку можна отримати в результаті реакції.

Міжнародне зусилля

Китай разом із Європейським союзом, США, Індією, Японією, Південною Кореєю та Росією є учасниками програми ІТЕР. Це найдорожчий із поточних міжнародних дослідницьких проектів, які фінансуються вищезгаданими країнами, вартістю близько 20 мільярдів доларів США. Він був відкритий в результаті співпраці урядів Михайла Горбачова і Рональда Рейгана в епоху холодної війни, а через багато років був включений в договір, підписаний усіма цими країнами в 2006 році.

2. На будівельному майданчику токамака ІТЕР

У рамках проекту ІТЕР у Кадараші на півдні Франції (2) розробляється найбільший у світі токамак, тобто плазмова камера, яку необхідно приручити за допомогою потужного магнітного поля, створюваного електромагнітами. Цей винахід було розроблено Радянським Союзом у 50-х та 60-х роках. Керівник проекту, Лаван Кобленц, оголосив, що організація має отримати «першу плазму» до грудня 2025 р. ІТЕР має щоразу підтримувати термоядерну реакцію приблизно на 1 тис. осіб. секунди, набираючи чинності 500-1100 МВт. Для порівняння, найбільший на сьогоднішній день британський токамак, JET (спільний європейський тор), зберігає реакцію протягом кількох десятків секунд і набирає чинності до 16 MW. Енергія в цьому реакторі виділятиметься у вигляді тепла — її не передбачається перетворювати на електрику. Про постачання термоядерної енергії в мережу не може бути й мови, оскільки проект призначений лише для дослідних цілей. Тільки на базі ІТР належить будувати майбутнє покоління термоядерних реакторів, що досягають потужності 3-4 тисячі. МВт.

Основна причина, через яку досі немає нормальних термоядерних електростанцій (попри понад шістдесят років великих і дорогих досліджень), полягає у складності контролю та «управління» поведінкою плазми. Тим не менш, роки експериментів дали багато цінних відкриттів, і сьогодні термоядерна енергія здається набагато ближчою, ніж будь-коли.

Додати гелій-3, перемішати та нагріти

ІТЕР є основним напрямком глобальних досліджень у галузі термоядерного синтезу, але багато дослідницьких центрів, компаній та військових лабораторій також працюють над іншими проектами в галузі термоядерного синтезу, які відхиляються від класичного підходу.

Наприклад, проведені в останні роки на з Массачусетського Технологічного Інституту експерименти з Шлем-3 на токамаку дали захоплюючі результати, у тому числі десятикратне збільшення енергії іон плазми. Вчені, які проводять експерименти на токамаку C-Mod у Массачусетському технологічному інституті, спільно з фахівцями з Бельгії та Великобританії розробили новий тип термоядерного палива, що містить три типи іонів. Команда Alcator C-Mod (3) провів дослідження ще у вересні 2016 року, але дані цих експериментів були проаналізовані лише нещодавно, виявивши величезне збільшення енергії плазми. Результати були настільки обнадійливими, що вчені, які керують найбільшою в світі діючою термоядерною лабораторією, а саме JET у Великій Британії, вирішили повторити експерименти. Такого ж приросту енергії було досягнуто. Результати дослідження опубліковані у журналі Nature Physics.

3. Токамак Alcator C-Mod у роботі

Ключем до підвищення ефективності ядерного палива було додавання слідових кількостей гелію-3, стабільного ізотопу гелію, з одним нейтроном замість двох. Ядерне паливо, що використовується в методі Alcator C, раніше містило лише два типи іонів – дейтерій та водень. Дейтерій, стабільний ізотоп водню з нейтроном в ядрі (на відміну водню без нейтронів), становить близько 95% палива. Вчені з Центру дослідження плазми та Массачусетського технологічного інституту (PSFC) використовували процес, званий нагрівання в радіочастотах. Антени поруч із токамаком використовують певну радіочастоту для збудження частинок, а хвилі відкалібровані для націлювання на іони водню. Оскільки водень становить крихітну частку загальної щільності палива, концентрація на нагріванні лише невеликий частини іонів дозволяє досягти екстремальних рівнів енергії. Далі стимульовані іони водню переходять до переважаючих в суміші іонів дейтерію, а частинки, що утворюються таким чином, потрапляють у зовнішню оболонку реактора, виділяючи тепло.

Ефективність цього процесу підвищується при додаванні суміш іонів гелію-3 в кількості менше 1%. Сконцентрувавши весь радіонагрівання на незначній кількості гелію-3, вчені підняли енергію іонів до мегаелектронвольт (МеВ).

Першим прибув – першим обслужений Еквівалент у російській мові: пізній гість глине і кістку

За останні кілька років у світі робіт із керованого ядерного синтезу відбулося багато подій, які відродили надії вчених і всіх нас нарешті досягти «Святого Грааля» енергії.

Хороші сигнали включають, серед іншого, відкриття Прінстонської лабораторії фізики плазми (PPPL) Міністерства енергетики США (DOE). Радіохвилі з великим успіхом використовувалися для значного зниження так званого плазмового обурення, які можуть мати вирішальне значення в процесі «переодягання» термоядерних реакцій. Та ж дослідницька група у березні 2019 року повідомила про експеримент з літієвим токамаком, у якому внутрішні стінки випробувального реактора були покриті літієм — матеріалом, добре відомим за батареями, які зазвичай використовуються в електроніці. Вчені відзначили, що літієве облицювання на стінках реактора поглинає розсіяні частинки плазми, не даючи їм відбиватися назад до плазмової хмари і заважаючи термоядерним реакціям.

4. Проект візуалізації TAE Technologies

Вчені великих авторитетних наукових установ навіть перетворилися на обережних оптимістів у своїх заявах. Останнім часом також спостерігається величезне зростання інтересу до техніки контрольованого синтезу у приватному секторі. У 2018 році компанія Lockheed Martin оголосила про план розробки прототипу компактного термоядерного реактора (CFR) протягом найближчого десятиліття. Якщо технологія, над якою працює компанія, працює, пристрій розміром із вантажівка зможе забезпечити достатню кількість електроенергії для задоволення потреб пристрою площею 100 XNUMX квадратних футів. жителі міста.

У змаганні за те, хто побудує перший реальний реактор синтезу, беруть участь інші компанії та дослідницькі центри, у тому числі TAE Technologies та Массачусетський технологічний інститут. Навіть Джефф Безос із Amazon та Білл Гейтс із Microsoft нещодавно почали брати участь у проектах зі злиття. NBC News нещодавно нарахувала сімнадцять невеликих компаній, які займаються виключно термоядерним синтезом у США. Такі стартапи як General Fusion або Commonwealth Fusion Systems зосереджені на реакторах меншого розміру на основі інноваційних надпровідників.

Концепція «холодного синтезу» та альтернативи великим реакторам, як токамакам, а й т.зв. стелараторів, з дещо іншою конструкцією, побудованою в тому числі в Німеччині. Пошук іншого підходу також продовжується. Прикладом цього є пристрій під назвою Z-щипка, побудований вченими з Вашингтонського університету та описаний в одному з останніх номерів журналу Physics World. Z-пінч працює, захоплюючи та стискаючи плазму у потужному магнітному полі. В експерименті вдалося стабілізувати плазму на 16 мікросекунд, а реакція синтезу тривала приблизно третину цього часу. Демонстрація мала показати, що маломасштабний синтез можливий, хоча в багатьох учених все ще є серйозні сумніви з цього приводу.

У свою чергу, завдяки підтримці Google та інших інвесторів, що займаються передовими технологіями, каліфорнійська компанія TAE Technologies використовує інший, ніж характерний для експериментів із синтезом, бороводнева паливна суміш, які використовувалися для розробки менших за розміром і дешевших реакторів, спочатку з метою так званого термоядерного ракетного двигуна. Прототип циліндричного термоядерного реактора (4) із зустрічними променями (CBFR), який нагріває газоподібний водень з утворенням двох плазмових кілець. Вони поєднуються зі зв'язками інертних частинок і утримуються в такому стані, що має сприяти збільшенню енергії та довговічності плазми.

Ще один термоядерний стартап General Fusion із канадської провінції Британська Колумбія має підтримку самого Джеффа Безоса. Простіше кажучи, його концепція полягає у введенні гарячої плазми в кулю з рідкого металу (суміш літію та свинцю) усередині сталевої кулі, після чого плазма стискається поршнями, подібно до дизельного двигуна. Створюваний тиск має призвести до термоядерного синтезу, який звільнить величезну кількість енергії для живлення турбін електростанції нового типу. Майк Делаж, технічний директор General Fusion, каже, що комерційний ядерний синтез може дебютувати за десять років.

5. Ілюстрація із термоядерного патенту ВМС США.

Нещодавно ВМС США також подали патент на пристрій плазмового термоядерного синтезу. У патенті йдеться про магнітні поля для створення «прискореної вібрації» (5). Ідея полягає в тому, щоб побудувати термоядерні реактори, досить малі, щоб їх можна було переносити. Зайве говорити, що цю патентну заявку сприйняли скептично.